地震作用下高速列车-线路-桥梁系统动力响应

为分析地震对高速列车通过桥梁时行车安全性的影响,基于高速铁路列车-线路-桥梁动力相互作用理论,建立了考虑地震输入的高速列车-线路-桥梁耦合动力学模型.以跨度32 m的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,对地震作用下高速列车通过桥梁时系统的动力响应进行了数值计算.结果表明:地震对高速列车-线路-桥梁系统动力响应的影响明显,对桥梁横向振动响应的影响大于对竖向振动响应的影响;地震会降低高速列车通过桥梁时的行车安全性和运行平稳性———在水平1.0 m/s2,竖向0.5 m/s2的规格化El Centro地震波作用下,当列车运行速度超过250 km/h时,轮重减载率超过了安全限值;当列车运行速度达300 km/h时,脱轨系数超过了安全限值.因此,评判地震作用下高速列车通过桥梁时的行车安全性,应考虑行车速度的影响.     

大跨系杆拱桥上道岔纵向耦合及列车走行性分析

针对大跨系杆拱桥上铺设无缝道岔的工程需求,根据岔-桥相互作用原理和列车-道岔-桥梁耦合动力学原理,分别建立了纵向耦合与垂横向耦合振动仿真分析模型.以某新建客专205 m连续梁桥为例,结合3种桥型共9种布置方案,对其岔桥耦合特性和列车走行性进行综合分析研究,结果表明:温度跨度对此类桥上无缝道岔纵向受力变形影响较大,不同桥跨形式的伸缩附加力规律相同,大小不同,其中尼尔森刚架拱方案伸缩附加力、道岔尖轨尖端和心轨尖端相对基本轨的位移、钢轨断缝的最值最小,大跨连续梁拱桥最大;就大跨系杆拱桥上无缝道岔而言,转辙机处基本轨与桥梁相对位移是影响桥垮选型的重要因素;尼尔森拱桥因主跨跨度较大导致桥梁动位移相对较大,存在轮重减载率瞬时超限的问题,而小跨连续梁拱桥梁动位移仅1.33 mm,列车走行安全性和舒适性表现良好,车体横向振动加速度最大仅0.035g.     

大跨度连续梁拱桥多点多维地震响应分析

为研究多点多维地震动作用下大跨度连续梁拱桥的动力响应,以我国南方某主跨为139 m的钢管混凝土连续梁拱桥为研究对象,基于有限元软件OpenSEES建立桥梁的三维有限元分析模型,人工合成空间非一致地震动,探究地震动的失相干程度、场地条件及行波波速对桥梁动力响应的影响. 研究结果表明:地震波的空间变异性效应会对连续梁拱桥的地震响应产生明显影响,仅考虑一致地震动激励会高估桥梁结构的地震响应;场地效应对桥梁地震响应的影响规律最为突出,随着支撑点处的场地越来越松软,桥梁各个部位的内力及位移响应均大幅增加;地震动的失相干效应越明显,桥梁拱肋的内力越大,位移越小;行波效应对桥梁结构的地震反应没有较为明确的影响规律,但不可忽略其作用,仅考虑行波效应会严重低估下部结构的地震响应;在大跨度桥梁结构的地震响应分析中,应着重考虑地震动的空间变异性效应,并且准确衡量各因素的作用.      

考虑桩土相互作用的车-轨-桥系统地震响应分析

弄清桩土相互作用对车桥系统地震响应的影响对于研究地震引起的高速铁路桥上列车行车安全问题十分必要. 基于列车-轨道-桥梁耦合振动理论,采用Winkler地基梁模拟群桩基础并通过m法计算弹簧参数,建立了地震作用下的列车-轨道-桥梁-群桩耦合振动模型,并编制了仿真分析程序. 以某（88 + 168 + 88）m预应力混凝土连续刚构桥为例,分别建立了考虑桩土相互作用的群桩基础模型以及作为对比的刚性基础模型和弹性基础模型,通过输入3条典型地震波,计算对比了3种模型的耦合振动响应,研究了桩土相互作用的影响. 结果表明:地震作用下桩土相互作用对桥梁、轨道和列车子系统动力响应的影响横向大于竖向,且对桥梁、轨道子系统动力响应的影响大于列车子系统;对于本文的计算条件,不考虑桩土相互作用会使桥梁、轨道和列车子系统的动力响应偏小,其中列车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力平均值分别偏小5.8%、8.6%和9.0%;桩土相互作用对列车行车安全性指标的影响不会随车速的变化而变化. 本文的研究成果可为震区高速铁路桥梁的抗震设计提供参考.      

车辆与桥上道岔的耦合动力学分析

为深入研究快速及高速行车条件下车辆一道岔．桥梁的动态相互作用,将车辆、道岔区轨道和桥梁作为一个整体,建立了车辆一道岔-桥梁耦合系统动力分析模型,用数值模拟的方法探讨了高速行车条件下道岔区轨道与桥梁结构的动力特性及行车安全性和舒适性．采用竖、横向挠跨比作为衡量桥梁刚度的指标,以高速铁路中最常用的6种标准跨度连续梁桥为对象进行计算和分析,通过获得各种工况下的车体振动加速度、减载率、脱轨系数、桥梁振幅和振动加速度等动力响应,确定车辆一道岔．桥梁动力耦合条件下24,32,40和48m跨度连续梁桥的合理刚度分别为1／20000,1／9000,1／5000和1／3000．研究结果表明,除静力分析应满足有关规定外,还应根据具体的道岔结构、运营条件和桥梁结构进行耦合动力分析,以保证高速行车条件下列车通过桥上道岔时的安全性和舒适性．     

拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响

为探讨结构拟静力分量对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,考虑路基和桥梁地震力边界条件,分别采用相对运动法和大质量法,在相对坐标系和绝对坐标系下处理地震力边界条件,建立了不同坐标系下的列车-轨道-桥梁系统地震响应分析模型.以跨度48 m+580 m+48 m的刚构-连续组合梁桥为例,分析了结构单向和三向拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响.结果表明:结构横向拟静力分量将显著增大桥梁横向位移、钢轨横向位移、列车脱轨系数和轮重减载率,而纵向、竖向拟静力分量的影响甚微;同时考虑结构的三向拟静力分量时,列车脱轨系数和轮重减载率均显著增大,且其相对误差随列车速度提高而增大,最大达30.5%和22.2%.因此,不考虑结构拟静力分量在列车速度较高时将严重低估车辆的动力响应,对桥上列车的行车安全性造成误判.      

基于虚功原理的轨下支承失效动力响应研究

将列车、轨道和桥梁视为3个子结构,基于虚功原理分别推导了三者的动力耦合方程。各子方程按对号入座的方式组装成列车-轨道-桥梁耦合矩阵,其中轨道和桥梁子系统之间采用离散的弹簧-阻尼连接。由于轨下结构的破坏出现轨下支承失效时,计算模型应将轨道下端与桥梁相应连接的弹簧-阻尼去除,进而修正原始组装的刚度矩阵和阻尼矩阵。针对轨下支承失效问题,应用该方法分析了轨道和桥梁动力响应的变化规律。结果表明：轨下支承失效改变了连续的轨道支承刚度,导致车辆通过失效区域时的轮轨接触力剧烈变化;只考虑轨道的动力不平顺时,轨下基础支承缺陷对桥梁的位移响应影响较小,但会加剧桥梁的加速度响应;轨下支承失效的范围越大,轮轨接触力和桥梁的加速度越大;对于轨道的位移和加速度,两者会随轨下支承失效破坏区域的扩大和列车走行速度的提升而显著增加。     

磁浮列车与轮轨高速列车对线桥动力作用的比较研究

以德国Transrapid高速磁浮列车和日本新干线高速列车为基础,通过建立高速磁浮、轮轨列车与线桥动态相互作用模型,计算了不同行车速度(100～500km／h)和不同桥跨(12～32m)情形下高速列车与桥梁结构的动力响应,并进行了细致的对比分析。结果表明：磁浮列车在高速特别是超高速运行条件下的乘坐舒适性明显优于轮轨高速列车;磁浮与轮轨高速列车作用于轨道的每延米荷载大体相当;高速磁浮列车对小跨度(22m以下)桥梁的动力作用小于轮轨高速列车,而对中等跨度尤其是大跨度桥梁,轮轨高速列车较高速磁浮列车具有明显的优越性。     

基于ANSYS-MATLAB联合仿真的大跨铁路悬索桥行车分析

针对大跨铁路悬索桥结构复杂、几何非线性显著的特点开展行车动力分析,提出了一种ANSYS与MATLAB实时交互、联合仿真的列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法; 在ANSYS内建立悬索桥和轨道结构精细有限元模型,在MATLAB内基于多刚体动力学理论组装车辆质量、阻尼和刚度矩阵,并将轨道结构动力微分方程系数矩阵导至MATLAB中; 分别建立悬索桥子系统、轨道-车辆子系统的动力微分方程,然后基于异步长策略,以大时间步长在ANSYS内考虑主缆几何刚度,并通过更新结构刚度矩阵来求解悬索桥子系统振动响应,以小时间步长在MATLAB内考虑轮轨空间接触关系,并通过施加轨道不平顺来求解轨道-车辆子系统动力响应,2种计算软件通过实时交换数据实现子系统之间的耦合求解; 通过分析某单跨铁路简支梁桥的实测数据验证了该方法的正确性,并利用该联合仿真方法对主跨为660 m的某铁路悬索桥进行了行车动力计算。分析结果表明:随着车速的提高,桥梁动力响应增大,行车安全性与平稳性趋于恶化; 在车速不大于180 km·h-1的工况下,该悬索桥能够满足行车安全性要求; 在列车动力荷载作用下,不考虑悬索桥几何刚度会导致跨中竖向位移产生7.4%的计算误差; 考虑几何刚度、不更新桥梁刚度矩阵导致的桥梁与列车响应计算误差均不超过1%,能够满足工程计算精度需求。可见,提出的联合仿真方法可用于大跨柔性铁路桥梁的行车动力分析。      

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.      

高速铁路连续梁桥动力响应分析

介绍了铁路连续梁桥在高速列车作用下，冲击系数和列车运行舒适度的研究。计算表明，连续梁桥的冲击系数和列车适合度，比简支梁桥有一定减小，提出了连续梁桥设计冲击系数，通过对不同跨度配合情况下连续梁桥的动力分析，研究了不等跨连续梁桥冲击系数的计算方法。     

连续梁拱桥施工变形控制分析

连续梁拱桥是结构较为新颖的桥梁,因其结构跨度大、施工工艺成熟、外形美观,广泛应用于铁路桥梁建设,其施工质量关系到大桥的安全和使用性能,在施工过程中,必须对桥梁进行施工监控。在连续梁拱桥监控项目中,变形控制最为重要。文章以京沪高铁某连续梁拱桥监控计算为基础,结合施工现场实际情况,介绍了大跨度连续梁拱桥施工变形控制的主要内容和施工工序对变形控制的影响,为今后类似桥梁的建设提供借鉴。     

Nataf变换的桥梁系统多维地震易损性分析方法

在多维性能极限状态理论框架下,考虑桥梁各构件地震响应参数相关性,引入Nataf变换,提出了改进的桥梁系统多维地震易损性分析方法;以一座三跨V撑连续梁桥为例,利用OpenSees软件建立桥梁系统非线性动力分析模型,从美国太平洋地震研究中心强震数据库中选取20条地震波进行增量动力分析,并获得桥梁结构在地震作用下的最大响应样...     

构造形式对钢管混凝土拱桥动力性能的影响

为研究钢管混凝土拱桥的动力特性,以黑龙江省哈同公路依兰牡丹江拱桥为例,应用大型有限元软件ANSYS建立了8种结构形式组合的拱桥空间有限元模型。在不同结构形式下,以匀速移动常量力作用在桥面上来模拟车辆对桥梁的强迫振动,得到了跨中截面和拱顶截面的竖向、横向位移以及加速度响应的极值：并得到了拱顶截面和1／4拱肋截面的动内力极值,分析出各种结构形式对桥梁强迫振动特性的影响。为改善大跨度中承式钢管混凝土拱桥的动力性能提供理论依据。     

大跨长联预应力混凝土连续梁桥地震响应

大跨长联预应力混凝土连续梁桥一般只设一个固定支座,由于桥跨较长,因此固定墩承担的纵向地震响应也就相当大。采用反应谱法,讨论了不同支座约束类型对连续梁桥固定墩和固定支座地震响应的影响;计算结果表明,不同的支座约束类型对连续梁桥地震响应影响较大;同时还分析了桩-土相互作用对连续梁桥动力特性及地震响应的影响。     

波浪作用下跨海大桥列车走行性研究

针对平潭海峡大桥所处海洋环境复杂恶劣、波浪会影响列车的安全性和舒适性问题,基于车-桥耦合动力仿真方法,利用自主研发的桥梁有限元软件BANSYS(bridge analysis system),分析了极端波浪荷载作用下车辆和桥梁的动力响应,讨论了波浪荷载重现期、车速、水深和桥墩刚度等因素的影响.研究结果表明:波浪荷载对车桥系统的响应影响显著,当波浪荷载重现期为50 a时,桥梁跨中横向位移超限;当波浪荷载较大时,波浪对列车走行性起主要控制作用,当波浪荷载较小时,车桥系统的动力响应对车速较为敏感;低桩承台方案可有效降低波浪荷载作用下桥梁和车辆的动力响应;桥墩基础采用常用的不同标号的混凝土对行车安全性和舒适性影响较小,车辆最大横向加速度相对变化幅值最高达3%.     

列车荷载下桥上CRTS Ⅲ型板式无砟轨道挠曲力与位移

针对中国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道在运营阶段的受力变形问题, 以梁-板-轨相互作用原理为基础, 考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土层及底座板等细部结构的空间尺寸与力学属性, 运用有限元法建立了高速铁路桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间耦合模型; 计算了列车荷载作用下轨道及桥梁结构的挠曲力与位移, 分析了不同列车荷载作用长度、桥上扣件纵向阻力及墩台顶固定支座纵向刚度对挠曲力与位移的影响。研究结果表明: 在全桥加载情况下, 多跨简支梁桥上钢轨挠曲力在支座处表现为拉力, 跨中表现为压力, 大跨连续梁主桥上钢轨挠曲力在两侧边跨表现为拉力, 中间跨表现为压力, 单线加载时2种桥上有载侧钢轨挠曲力分别达到了38、53 kN, 约为双线加载时的1/2;轨道、桥梁结构纵向力与位移最大值不同时出现在同一工况下, 需要根据不同的检算部件选取最不利的列车荷载作用长度, 并将ZK活载中的集中力设置在跨中位置; 采用小阻力扣件可以改善钢轨受力与变形, 简支梁桥和连续梁桥上钢轨最大挠曲力分别减小了35%和22%, 钢轨纵向位移分别减小了7%和5%, 但轨板相对位移分别增大了26%和30%, 需加强观测以控制钢轨的爬行; 从轨道及桥梁结构的安全性与耐久性角度考虑, 建议将墩台顶纵向刚度控制在设计值的1.0~1.5倍范围内。      

高速列车轴箱弹簧载荷特性与疲劳损伤

以某型高速列车轴箱弹簧为研究对象, 通过载荷标定方法制作了弹簧载荷测试传感器, 安装于动力转向架, 通过在线路测试得到了轴箱弹簧载荷时间历程; 结合车载陀螺仪信号, 分析了启动牵引、制动停车、高低速直线、进出坡道、曲线通过等典型工况下的轴箱弹簧载荷特性; 根据轴箱弹簧载荷的变化特点, 将测试载荷分解为趋势载荷和动态载荷, 并在统计基础上给出轴箱弹簧一定运用里程下的载荷谱, 确定了载荷幅值与载荷作用频次的对应关系, 根据损伤一致性准则, 分析了载荷谱各级载荷造成的损伤比重与轴箱弹簧疲劳损伤随列车运行速度增大的变化规律。分析结果表明: 轴箱弹簧载荷与应变呈线性关系, 其传递系数为9.45×10-5 kN-1; 与非动力侧轴箱弹簧相比, 动力侧轴箱弹簧载荷幅值变化受电机扭矩载荷的影响较大, 在列车启动阶段, 电机输出扭矩达到最大值, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的载荷分别为-7.42、1.26 kN; 列车速度由240 km·h-1增大至350 km·h-1时, 轴箱弹簧趋势载荷由-0.6 kN变化至-2.0 kN, 最大动态载荷由1.53 kN增大至1.86 kN, 增大了22%;动力侧轴箱弹簧在列车低速、高速运行时所产生的疲劳损伤比重分别为0.79、0.75;列车运行速度提高会使轴箱弹簧高幅值载荷产生的疲劳损伤比重略有降低, 这与非动力侧疲劳损伤比重分布特点相吻合; 动力侧和非动力侧轴箱弹簧疲劳损伤随着列车运行速度增大均呈现出先减小后增大的变化趋势, 在列车速度为300 km·h-1附近时达到最小疲劳损伤, 动力侧与非动力侧轴箱弹簧的疲劳损伤分别为0.110、0.004。      

连续梁钢管拱桥吊杆施工技术

随着铁路建设的发展,连续梁钢管拱桥越来越多地应用于客运专线及高速铁路中。钢管混凝土拱桥主要由混凝土梁、钢管拱助、吊杆三部分组成,具有造型美观、结构合理、受力科学等特点。以贵阳某绕城高速(64+120+64)m连续梁-拱组合桥梁为工程实例,对大跨度连续梁钢管拱桥的吊杆施工进行介绍,详细阐述了吊杆安装、张拉工艺及索力监测实施方案,为同行业类似工程积累了经验,具有较实用的参考价值。     

列车与刚梁柔拱组合系桥系统的地震响应分析

主要讨论地震荷载作用时车桥系统的动力响应特征及对行车稳定性的影响。建立了地震作用下综合考虑输入地震波，轨道不平顺和车辆蛇行运动的车桥体系振动的动力分析模型，推导了体系动力平衡方程组。通过对系统输入各种典型的地震波，在计算机上模拟了列车过桥的全过程动力响应。计算了桥梁的线性和非线性响应，研究了列车荷载及桥梁下部结构刚度对地震响应的影响。以一座刚梁柔拱组合系桥为例，研究地震发生时桥上列车的运行稳定性和